Giant bulk photovoltaic effect driven by interfacial symmetry breaking in MoS2/Ta2NiSe5 heterostructures

태양광이 태양 전지에 닿으면 보통 전류를 흐르게 하기 위해 밀어주는 힘이 필요합니다. 대부분의 태양 패널에서는 빛이 전자를 튕겨내지만, 이 전자들은 내부의 서로 다른 두 종류의 물질을 결합하여 만들어진 내장 전기장에 의해 한 방향으로 움직이도록 강제되기 전까지는 정처 없이 떠돌아다닙니다. 이것이 표준 태양 전지가 작동하는 방식이며, 이를 위해서는 특정한 내부 구조가 필요합니다. 하지만 자연은 이러한 일반적인 물질의 분리에 의존하지 않고 빛으로부터 전력을 생성하는 더 다르고 기묘한 방법을 제공합니다. 대칭 중심이 없는 특정 결정체에서는 빛이 외부의 도움이나 내부 접합 없이도 전자를 특정 방향으로 직접 밀어낼 수 있습니다. 벌크 광전 효과(bulk photovoltaic effect)라고 알려진 이 현상은 오랫동안 이론적인 호기 l이자 더 효율적인 에너지 수확을 위한 잠재적인 경로였으나, 매우 적은 수의 희귀하고 복잡한 물질에서만 나타나기 때문에 활용하기가 어려웠습니다.

과학자들의 과제는 이 효과를 다루기 쉽고 이해하기 쉬운 재료에서 구현하는 것이었습니다. 연구자들이 서로 다른 얇은 층을 서로 쌓아 올려 이러한 효과를 만들려고 할 때, 그 과정은 종종 엉망이 되곤 합니다. 층들이 너무 많은 방식으로 상호작 작용하여—전자들을 서로 이동시키고, 내부 구조를 변화시키며, 자체적인 전기장을 생성하여—어느 부분이 실제로 전력을 생성하는 부분이고 어느 부분이 방해가 되는 부분인지 구별하는 것을 불가능하게 만들기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 두 가지 특정 재료인 이황화 몰리브데넘(molybdenum disulfide)과 탄탈럼 니켈 셀레나이드(tantalum nickel selenide)를 십자 모양 패턴으로 쌓는 새로운 방법을 개발했습니다. 이렇게 함으로써, 그들은 배터리나 외부 전압 없이도 빛으로부터 거대한 전기적 급증을 만들어내는 장치를 만들었으며, 작용하는 서로 다른 물리적 힘들을 분리하여 왜 이것이 작동하는지 정확히 이해해 냈습니다.

연구진은 매우 다른 두 가지 재료로 시작했습니다. 하나인 이황화 몰리브데넘은 대칭적이고 안정적인 육각형 형태의 얇은 시트입니다. 다른 하나인 탄탈룸 니켈 셀레나이드는 전기를 잘 전달하며 강한 방향성을 가진 사슬 구조의 물질로, 보는 방향에 따라 그 특성이 변합니다. 첫 번째 재료의 시트를 두 번째 재료 바로 위에 놓았을 때, 상단 층의 존재로 인해 하단 층의 완벽한 대칭이 깨졌습니다. 정사각형 타일을 원형 탁자 위에 올려놓는 것을 상상해 보십시오. 이 조합은 더 이상 완벽하게 둥글지 않은 새로운 모양을 만들어냅니다. 이 경우, 적층은 하단 물질의 내부 균형을 깨뜨려 두 물질이 맞닿는 계면(interface)에 새로운 불균일한 전기적 지형을 만들어냈습니다. 이 깨진 대칭이 외부의 밀어주는 힘 없이도 빛으로부터 직류를 생성할 수 있는 능력을 여는 열쇠입니다.

이 새로운 배열이 실제로 작동하는지 확인하기 위해, 팀은 십자 모양의 장치를 만들었습니다. 그들은 하단 재료의 띠를 먼저 깔고, 그 위에 상단 재료의 띠를 가로질러 배치하여 겹치는 부분에 작은 사각형을 형성했습니다. 이 특정 모양은 매우 중요했는데, 이는 상단 띠를 따라 흐르는 전기와 하단 띠를 통해 흐르는 전기를 별도로 측정할 수 있게 해주었기 때문입니다. 연구진이 겹치는 중심부에 붉은색 레이저 빔을 비추자, 배터리가 연결되지 않았음에도 불구하고 상단 띠를 따라 흐르는 강력한 전류가 즉시 나타났습니다. 측정된 전압은 작았지만, 전류 밀도는 매우 높아서 247 암페어/제곱센티미터(A/cm²)에 달했습니다. 이 성능은 확립된 반데르발스(van der Waals) 대응물들과 경쟁할 만한 수준이며, 이러한 유형의 효과에 있어 중요한 성과를 나타냅니다.

팀은 이 전기가 금속 와이어가 물질에 닿는 부분이나 단순한 가열 효과와 같은 흔한 원인이 아니라, 고유한 대칭 깨짐으로부터 오는 것임을 증명해야 했습니다. 그들은 아주 작은 초점 레이저 스폿으로 장치를 스캔하며 표면을 이동시켜 전기가 생성되는 위치를 정확히 매핑했습니다. 결과는 전력이 두 재료가 겹치는 작은 사각형 부분에서만 생성된다는 것을 보여주었습니다. 재료가 단독으로 있거나 금속 와이어가 가장자리에 닿는 영역에서는 아무런 신호도 발생하지 않았습니다. 이는 효과가 두 층 사이의 경계에서 엄격하게 발생하며, 두 층의 원자 구조가 상호작용하는 방식에 의해 구동된다는 것을 확인시켜 주었습니다. 또한, 연구진은 다양한 색상의 빛으로 장치를 테스트했으며, 이 장치가 하단 재료가 흡수할 수 있는 빛에서만 작동한다는 것을 발견하여 다른 잠재적 메커니즘을 배제했습니다.

이 발견의 주요 부분은 두 가지 서로 다른 힘이 함께 작용하여 효과를 강력하게 만든다는 점을 이해하는 것이었습니다. 첫째, 대칭의 파괴가 전자를 향한 직접적인 밀어내기를 생성했습니다. 둘째, 두 재료는 서로 다른 천연 전기적 특성을 가지고 있기 때문에, 적층되었을 때 전자가 하단 층에서 상단 층으로 자발적으로 뛰어듭니다. 이는 마치 숨겨진 배터리처럼 작동하여, 빛에 의해 생성된 전자를 분리하고 안내하는 역할을 하는 내장 전기장을 형성했습니다. 연구진은 이 두 가지 힘을 모두 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 장치 아래의 실리콘 기판에 전압을 가함으로써 하단 층에서 사용 가능한 전자의 수를 조절할 수 있었고, 두 층 사이에 전압을 가함으로써 내장된 전기장을 강화하거나 약화시킬 수 있었습니다. 연구진이 두 가지 제어 기능을 동시에 조정했을 때, 추가 전압을 가하지 않았을 때보다 생성되는 전기가 10배 이상 증가했습니다.

이 연구는 재료를 신중하게 선택하고 장치의 모양을 설계함으로써, 복잡한 상호작용을 명확하고 강력한 에너지원으로 바꿀 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 관찰된 거대한 전기적 급증이 우연이나 단일 요인의 결과가 아니라, 정밀한 대칭 깨짐과 전하 이동의 결합 결과임을 입증했습니다. 그들은 효과가 장치의 가장자리나 금속 접점에서 오는 것이 아니라는 점을 밝혀냈으며, 대신 이 현상의 핵심이 두 층 사이의 미세한 계면에 있다는 것을 증명했습니다. 이러한 발견은 이 접근 방식이 전통적인 태양 전지에서 볼 수 있는 부피가 큰 접합체 없이도 빛으로부터 에너지를 수확할 수 있는 차세대 자가 발전 전자 장치를 설계하는 데 사용될 수 있음을 시사합니다. 이러한 효과를 조절하고 증폭할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 미래의 다양한 기술에 통합될 수 있는 유연하고 효율적이며 민감도가 높은 광 검출기 및 에너지 수확기를 만드는 길을 열어주었습니다.